劉金宏，楊麗紅，甘 屹

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和日益增長(zhǎng)的社會(huì)需求，機(jī)械產(chǎn)品的類(lèi)型、規(guī)格及性能也隨之發(fā)生變化，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的周期性、可靠性、個(gè)性化等要求愈發(fā)苛刻[1]。因此，為了快速地設(shè)計(jì)產(chǎn)品模型，符合現(xiàn)代CAD中概念設(shè)計(jì)思想，出現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法。而從產(chǎn)品的空間結(jié)構(gòu)上來(lái)看，產(chǎn)品的“頂層基本骨架”類(lèi)似于該產(chǎn)品的裝配草圖，它能代表產(chǎn)品模型的主要空間形狀和空間位置，能基本反映構(gòu)成產(chǎn)品的各個(gè)子模塊之間的拓?fù)潢P(guān)系及其主要功能[2]。對(duì)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、業(yè)務(wù)流程合理化、系統(tǒng)運(yùn)行集成化，提高設(shè)計(jì)效率等方面都具有重要意義。

因此，本研究將以“頂層基本骨架”為設(shè)計(jì)思想，將自頂向下的模型裝配思想與參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

1 以“頂層基本骨架”為核心的設(shè)計(jì)思想

1.1 “頂層基本骨架”方法設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)產(chǎn)品模型時(shí)最初考慮的是產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的功能，然后是實(shí)現(xiàn)該功能的結(jié)構(gòu)關(guān)系，是一個(gè)由抽象到具體，由整體到局部的過(guò)程。

本研究基于TBS的參數(shù)化設(shè)計(jì)，即在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段，按照基本功能和要求在設(shè)計(jì)頂層構(gòu)筑一個(gè)“基本骨架”，隨后的設(shè)計(jì)過(guò)程在此基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)制、修改、細(xì)化、完善并最終完成從整體到局部的設(shè)計(jì)[3]。

產(chǎn)品的“頂層基本骨架”基于自頂向下的設(shè)計(jì)思想，能體現(xiàn)產(chǎn)品模型的主要空間形狀和空間位置，能基本反映構(gòu)成產(chǎn)品的各個(gè)子模塊之間的拓?fù)潢P(guān)系及其主要功能。因此，它是整個(gè)產(chǎn)品自頂向下設(shè)計(jì)過(guò)程中的核心，是各個(gè)子模塊之間相互聯(lián)系的橋梁和紐帶[4]。在構(gòu)筑“頂層基本骨架”過(guò)程中，更注重在最初的產(chǎn)品總體布局中捕獲和抽取各個(gè)裝配體和零件間的相互關(guān)聯(lián)性和依賴(lài)性。

自頂向下設(shè)計(jì)方法很好地體現(xiàn)了這一理念，即在客戶(hù)提出需求后，初期就考慮零件之間的定位和約束關(guān)系，生成產(chǎn)品的拓?fù)潢P(guān)系，在完成產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)之后再對(duì)零件(子模塊)進(jìn)行設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的裝配(零件之間的互相貼合、定位或?qū)R)不同，構(gòu)筑“頂層基本骨架”設(shè)計(jì)是子裝配體和零件都裝配在同一基準(zhǔn)即基本骨架(包括基準(zhǔn)點(diǎn)、線(xiàn)、面；輪廓線(xiàn)、輪廓面等)上，最后用這個(gè)可以不斷變更、發(fā)展的頂層基本骨架來(lái)控制整個(gè)產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)[5]。

TBS方法主要設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 TBS方法設(shè)計(jì)流程圖

1.2 參數(shù)化技術(shù)

參數(shù)化技術(shù)指在構(gòu)造產(chǎn)品模型過(guò)程中，將與幾何輪廓相關(guān)聯(lián)或者對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品有影響的尺寸信息進(jìn)行預(yù)定義，通過(guò)約束、修改這些已有的參數(shù)信息快速重構(gòu)產(chǎn)品模型從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高效設(shè)計(jì)的方法?；谶@種參數(shù)化思想設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品模型在不同要求中具有唯一性和適時(shí)性。

參數(shù)化就是將模型中的定量信息隨客戶(hù)需求變量化，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)可變參數(shù)的同時(shí)，自動(dòng)維護(hù)不變參數(shù)的拓?fù)潢P(guān)系。目前，使用SolidWorks軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的主要方式有[6]：參數(shù)驅(qū)動(dòng)法(尺寸驅(qū)動(dòng)法)；程序驅(qū)動(dòng)法；模塊參數(shù)化等。

隨著現(xiàn)代CAD設(shè)計(jì)思想越來(lái)越成熟，市場(chǎng)上產(chǎn)品的更新?lián)Q代節(jié)奏越來(lái)越快，傳統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)代設(shè)計(jì)的要求。尺寸驅(qū)動(dòng)法只局限于尺寸變量化，無(wú)法完成模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的改變；程序驅(qū)動(dòng)法的程序設(shè)計(jì)工作量較大，要求程序員對(duì)SolidWorks API函數(shù)具有較好的理解和運(yùn)用能力，還要對(duì)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有較高的掌握能力，因此對(duì)大多程序員或剛?cè)胄械墓ぷ髡咭筮^(guò)高；模塊參數(shù)化基于現(xiàn)有的模塊化庫(kù)，一旦出現(xiàn)新型設(shè)計(jì)，之前定義的模塊化便不能使用，需重新建庫(kù)定義。為了適應(yīng)當(dāng)前市場(chǎng)需求，也為了方便當(dāng)前設(shè)計(jì)的后續(xù)利用，一些企業(yè)建立了自己的參數(shù)化庫(kù)。即具有同一功能但結(jié)構(gòu)類(lèi)型不同的零件，通過(guò)分成不同的類(lèi)型，建立每一類(lèi)型的參數(shù)設(shè)計(jì)樣板，然后對(duì)每一類(lèi)型的參數(shù)設(shè)計(jì)樣板分別進(jìn)行變參數(shù)設(shè)計(jì)，稱(chēng)之為“變結(jié)構(gòu)體參數(shù)化”[7]。該方法可以通過(guò)添加或者刪除模板庫(kù)里的模板實(shí)現(xiàn)模板庫(kù)的擴(kuò)展和修改，既可以改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系又可以實(shí)現(xiàn)尺寸的參數(shù)化，大大提高了設(shè)計(jì)的靈活性。

變結(jié)構(gòu)體參數(shù)化設(shè)計(jì)大致可分為3個(gè)步驟，如圖2所示[8]。

圖2 變結(jié)構(gòu)體參數(shù)化設(shè)計(jì)流程圖

(1)功能抽象。根據(jù)零件的外形以及功能提取零件的基本結(jié)構(gòu)，將基本結(jié)構(gòu)以草圖的形式表達(dá)，形成模板庫(kù)；

(2)組合。在建立模板庫(kù)基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶(hù)需求添加所需類(lèi)型的參數(shù)樣板，組合成新的模型；

(3)尺寸驅(qū)動(dòng)。在新組合的類(lèi)型模板上，根據(jù)實(shí)際需求修改尺寸信息，完成零部件的設(shè)計(jì)。

綜上所述，常規(guī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)大都針對(duì)同一功能同一結(jié)構(gòu)類(lèi)型的零件設(shè)計(jì)，而變結(jié)構(gòu)體參數(shù)化可以解決同一功能不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的零件設(shè)計(jì)問(wèn)題。再基于TBS思想對(duì)不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的零件從整體出發(fā)，從頂層構(gòu)建“基本骨架”，逐層設(shè)計(jì)。兩者相結(jié)合形成基于TBS的變結(jié)構(gòu)體參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，可以有效地解決企業(yè)對(duì)不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)，既降低了對(duì)工作人員的設(shè)計(jì)要求，又提高了產(chǎn)品研發(fā)的效率。

2 基于“頂層基本骨架”思想的EDS設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 EDS概述

EDS將企業(yè)的研發(fā)、產(chǎn)品系列化、合同處理、設(shè)計(jì)變更、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備等和其他業(yè)務(wù)功能整合在一個(gè)信息管理平臺(tái)上，通過(guò)參數(shù)化、模塊化、三維化實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、非標(biāo)處理自動(dòng)化。

使用EDS來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模的優(yōu)勢(shì)包括：系統(tǒng)提供表格化邏輯編寫(xiě)界面，工程師可根據(jù)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，定制數(shù)據(jù)格式，使產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)、工藝、裝箱、采購(gòu)在同一界面進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)工作，加強(qiáng)工作協(xié)作、統(tǒng)一工作平臺(tái)；所有研發(fā)、設(shè)計(jì)人員可在界面中進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、BOM表創(chuàng)建，邏輯維護(hù)、尺寸公式編輯，不需編程，設(shè)計(jì)結(jié)果直接用于合同處理，無(wú)需專(zhuān)人在PLM(產(chǎn)品生命周期管理)或ERP(企業(yè)資源計(jì)劃)系統(tǒng)中二次編輯；用戶(hù)界面與3D模型關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)公式與模型聯(lián)動(dòng)，所有研發(fā)、設(shè)計(jì)人員可通過(guò)模型實(shí)時(shí)校驗(yàn)設(shè)計(jì)公式的準(zhǔn)確性，輔助產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)，并可自動(dòng)生成整體模型,工程圖,鈑金展開(kāi)圖，零件圖，BOM表信息等等。

2.2 EDS的自上而下參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

以電梯設(shè)計(jì)為例，在以往的電梯零部件設(shè)計(jì)中，一般是根據(jù)合同、井道圖、電梯轎廂的大小對(duì)電梯零部件圖紙進(jìn)行相應(yīng)的修改、設(shè)計(jì)，即所謂的非標(biāo)設(shè)計(jì)，在操作上需要針對(duì)每一個(gè)需要非標(biāo)的零部件進(jìn)行繪圖設(shè)計(jì)，這就存在圖紙數(shù)量較多，相應(yīng)花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)、出錯(cuò)率高、效率低下等情況。

在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，大部分的零部件的尺寸長(zhǎng)度大小與轎廂的寬深高變化有關(guān)，有很強(qiáng)的邏輯關(guān)系，通過(guò)運(yùn)用這種邏輯關(guān)系來(lái)解決圖紙問(wèn)題，可以大大減少工作時(shí)間，EDS系統(tǒng)用于電梯行業(yè)設(shè)計(jì)就是基于這種思想模式下操作的[9]。在客戶(hù)需求之前考慮到產(chǎn)品的定位和約束關(guān)系，生成它們的拓?fù)潢P(guān)系，建立電梯轎廂的頂層基本骨架(TBS)后，通過(guò)變結(jié)構(gòu)體參數(shù)化編程做到自動(dòng)判定組合電梯轎廂需要的子級(jí)基本骨架(SBS),最后自動(dòng)約束零件(PART)的尺寸大小等信息。

基于TBS的EDS建模流程如圖3所示。

圖3 基于TBS的EDS參數(shù)化建模流程圖

3 以電梯轎廂為例的TBS自頂向下設(shè)計(jì)過(guò)程

在房地產(chǎn)快速發(fā)展的拉動(dòng)下，我國(guó)的電梯市場(chǎng)也隨之壯大起來(lái)。面對(duì)用戶(hù)的多樣化和個(gè)性化的需求，縮短電梯產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)疑成為電梯公司的首要目標(biāo)[10-11]。

然而傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、裝配方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上市場(chǎng)的需求，因此，“頂層基本骨架”的設(shè)計(jì)理念以及參數(shù)化設(shè)計(jì)方法已凸顯得尤為重要。該實(shí)例按照電梯行業(yè)的設(shè)計(jì)功能和要求，利用創(chuàng)建的基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸等構(gòu)筑一個(gè)“頂層基本骨架”裝配模型。運(yùn)用EDS作為參數(shù)化設(shè)計(jì)工具，對(duì)整體到局部的裝配體、零部件進(jìn)行逐層設(shè)計(jì)，根據(jù)輸入?yún)?shù)的不同進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的自動(dòng)模型生成，從而實(shí)現(xiàn)了模型裝配技術(shù)與以“頂層基本骨架”為核心的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，有效地適應(yīng)了當(dāng)前的市場(chǎng)需求。

電梯轎廂整體設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 基于TBS的電梯轎廂EDS設(shè)計(jì)流程圖

3.1 轎廂壁板自上而下裝配體建模

3.1.1 創(chuàng)建基準(zhǔn)面

參數(shù)化建模裝配過(guò)程中,要善于運(yùn)用基準(zhǔn)面，尤其是復(fù)雜的裝配體需要在裝配前根據(jù)變化規(guī)則合理創(chuàng)建一系列裝配基準(zhǔn)面，如圖5所示。

圖5 建立的基準(zhǔn)面示意圖

這不僅僅是為了方便裝配，而是為了避免EDS驅(qū)動(dòng)模型后，導(dǎo)致一些使用實(shí)體上的面或特征約束的配合關(guān)系丟失，進(jìn)而造成EDS驅(qū)動(dòng)模型產(chǎn)生錯(cuò)誤。同時(shí)也體現(xiàn)了“頂層基本骨架”的設(shè)計(jì)理念，根據(jù)要求從整體出發(fā)，一步步由大到小、由整體到局部的設(shè)計(jì)。

3.1.2 建立模板庫(kù)

根據(jù)入口參數(shù)的不同，可能生成的三維模型也隨之不同，所以各個(gè)零部件的形狀也會(huì)有所變化。

在模型設(shè)計(jì)之前，本研究根據(jù)客戶(hù)需求的實(shí)際情況，將所有的零件、子裝配體等模型先建立出來(lái)，精確尺寸不做要求，然后裝配到對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)面或基準(zhǔn)軸上，同時(shí)生成總裝配體工程圖，如圖6所示。

圖6 總裝配體結(jié)構(gòu)圖

3.2 EDS參數(shù)化邏輯編寫(xiě)

3.2.1 總裝配體邏輯編寫(xiě)

本研究根據(jù)入口參數(shù)所要求的功能，在特征欄里壓縮不需要的基準(zhǔn)軸等信息，需要的信息保持不壓縮狀態(tài)；子件狀態(tài)欄里包含所有子裝配體和零件信息，根據(jù)功能要求從中提取所需要的零部件信息，不需要的零部件在CAD里呈壓縮狀態(tài)；最后根據(jù)入口參數(shù)值確定裝配體模型尺寸大小等信息。

3.2.2 子裝配體與零件邏輯編寫(xiě)

總裝配體邏輯驅(qū)動(dòng)后，沒(méi)有被壓縮的零件需要邏輯控制來(lái)達(dá)到所需要的尺寸和形狀。特征欄里壓縮不需要的特征(如孔、折邊、鏡像、陣列等)，不被壓縮的特征通過(guò)尺寸邏輯關(guān)系驅(qū)動(dòng)以獲得所需要的形狀。

3.2.3 EBOM邏輯編寫(xiě)

EBOM(設(shè)計(jì)物料清單)：主要是設(shè)計(jì)部分產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員根據(jù)客戶(hù)需求進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，包括產(chǎn)品名稱(chēng)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、明細(xì)表、產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)、裝箱清單等信息。EBOM是工藝、制造等后續(xù)部分的其它應(yīng)用系統(tǒng)所需產(chǎn)品數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，在EDS中通過(guò)參數(shù)賦值區(qū)對(duì)其需要的信息進(jìn)行備注即可。

3.2.4 工程圖標(biāo)注問(wèn)題

僅標(biāo)注在CAD特征上的尺寸，會(huì)隨特征壓縮而消失。因此，如果不能直接標(biāo)注在特征上的尺寸，需要在工程圖中建立標(biāo)注用的基準(zhǔn)軸，通過(guò)EDS邏輯控制其是否消失。對(duì)于一些復(fù)雜的標(biāo)注，可以通過(guò)草圖和圖層加以控制。

3.3 目標(biāo)模型生成

頂層基本骨架是基于參數(shù)化技術(shù)的自上而下設(shè)計(jì)，該實(shí)例正是基于TBS設(shè)計(jì)思想，根據(jù)客戶(hù)需求，先建立一個(gè)“基本骨架”，創(chuàng)建模型庫(kù)，再利用EDS對(duì)模型庫(kù)進(jìn)行變結(jié)構(gòu)體參數(shù)化設(shè)計(jì)，最后生成的目標(biāo)三維模型如圖7所示。

圖7 生成三維模型圖

3.4 結(jié)果分析

根據(jù)電梯轎廂的試驗(yàn)，基于TBS的變結(jié)構(gòu)體參數(shù)化設(shè)計(jì)方法滿(mǎn)足了從初期客戶(hù)需求開(kāi)始，在建模參數(shù)和設(shè)計(jì)對(duì)象的尺寸參數(shù)控制方面實(shí)現(xiàn)了唯一、實(shí)時(shí)地對(duì)應(yīng)關(guān)系，有效地提高機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，驗(yàn)證了TBS思想與參數(shù)化技術(shù)相結(jié)合的可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的個(gè)性化、系列化和效率不能滿(mǎn)足客戶(hù)需求的問(wèn)題，本研究利用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件和EDS參數(shù)化軟件，基于自頂向下的裝配設(shè)計(jì)方法，建立起了參數(shù)化模型，驗(yàn)證了TBS思想與參數(shù)化技術(shù)相結(jié)合的可行性，為機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了高效的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

借助該系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)更改裝配模型的主要驅(qū)動(dòng)參數(shù)，可以自動(dòng)并實(shí)時(shí)地更新不同型號(hào)的系列產(chǎn)品；在生成產(chǎn)品零件、裝配體模型的同時(shí)自動(dòng)更新生成工程圖、鈑金圖。

采用該技術(shù)可以有效地解決企業(yè)對(duì)不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化生產(chǎn)設(shè)計(jì)，對(duì)提高設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期、增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力有重要的現(xiàn)實(shí)意義。